Innovative Testing Grenzen verleggen & bouwen Slimmer testen van de biologische veiligheid en effectiviteit van stoffen

Transcriptie

1 Innovative Testing Grenzen verleggen & Bruggen bouwen Slimmer testen van de biologische veiligheid en effectiviteit van stoffen HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

2 3 hoofdstuk # Naam hoofdstuk Nieuwe oplossingen voor oude uitdagingen 1. inleiding Innovative Testing in Life Sciences & Chemistry 9 2. over de achtergrond van aanvaardbare risico s innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment innovative testing aan de hogeschool: Lectoraten met een brugfunctie 43 Dankwoord 51 CV 53 Referentielijst HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

3 4 hoofdstuk # Naam hoofdstuk 5 hoofdstuk # Naam hoofdstuk veilig en verantwoord vernieuwen 1. inleiding Innovative Testing in Life Sciences & Chemistry dierproeven een noodzakelijk kwaad? kan het ook anders? Wat zijn de alternatieven? recente ontwikkelingen rondom het beleid alternatieven voor dierproeven wetgeving en de ontwikkeling van nieuwe stoffen 7 6. validatie en acceptatie van alternatieven; wat zijn de obstakels? hoe kunnen we de toepassing van alternatieve methoden versnellen? waar gaan we naar toe? Innovatief testen hoe doe je dat? Changing minds ; educatie van nieuwe geesten voor alternatieven 113 Dankwoord 121 CV 123 Referentielijst HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

4 veilig en verantwoord vernieuwen HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

5 In het werkveld van Life Sciences & Chemistry is een innovatieve revolutie gaande 9 hoofdstuk 1 Inleiding 1 / Inleiding Geachte aanwezigen, lectoraat Innovative Testing in Life Sciences & Chemistry onderwerp Innovative Testing Grenzen verleggen & bruggen bouwen Mijn openbare les gaat over Innovative testing, letterlijk vertaald Vernieuwend Testen. In het werkveld van Life Sciences & Chemistry heeft Innovative testing te maken met het testen van stoffen op hun werking en veiligheid. Met stoffen wordt hier bedoeld alle mogelijke chemicaliën waar aan we blootgesteld worden, zoals chemicaliën in onze leef- en werkomgeving, medicijnen (inclusief biologicals), maar ook stoffen in de voeding (inclusief voedselbestanddelen en natuurlijke stoffen). Mijn les zal echter voornamelijk gaan over de laatste twee categorieën, medicijnen en stoffen in de voeding. Sinds de jaren 80 van de vorige eeuw zijn er conceptuele en vooral technische veranderingen in gang gekomen op het gebied van biologie en chemie. Belangrijke aanleidingen daartoe waren de ontwikkelingen in de moleculaire biologie met als het meest opmerkelijke uitvloeisel het ontrafelen van met menselijk genoom. Een andere belangrijke ontwikkeling betreft de toepassing van informaticamogelijkheden in de biologie en scheikunde. Voeg daar nog bij de technische ontdekkingen om vele para meters in steeds grotere aantallen tegelijkertijd te meten en het beeld van een revolutie in Life Sciences & Chemistry is compleet. Deze revolutie heeft al bijgedragen tot het verder ontrafelen van tal van biologische processen en tot het ontwerpen van nieuwe medicijnen (zoals biologicals). Naar verwachting van velen zal de bereikte innovatie ook in de komende decennia bijdragen aan de zoektocht naar nieuwe geneesmiddelen en therapeutische mogelijkheden HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

6 10 hoofdstuk 1 Inleiding 11 hoofdstuk 1 Inleiding Iets eerder al, vanaf de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw is het bewustzijn gegroeid dat het erg belangrijk is de veiligheid van de stoffen waaraan we blootgesteld worden goed te onderzoeken. Voor geneesmiddelen geldt dat dit nadrukkelijk moet gebeuren tegen de achtergrond van het effect dat gewenst is: de farmacologische werking van het geneesmiddel. De uitdaging die voor ons ligt is om het testen van zowel de werking als de toxiciteit te verbeteren en te vernieuwen, met gebruikmaking van de revolutionaire ontwikkelingen in de biologie en chemie. om daarbij ook aan te geven dat er duidelijk aanwijzingen zijn voor het vervagen van grenzen tussen farmacologie en toxicologie. Tot slot zal ik aangeven welke rol het Kenniscentrum Life Sciences & Chemistry van Hogeschool Utrecht op het gebied van onderzoek én onderwijs in het werkveld van Innovative testing in Life Sciences & Chemistry wil gaan spelen. Maar innovative testing hoeft niet alleen uit te gaan van de nieuwste technieken. Het ligt veel meer voor de hand om verschillende testen, oud en nieuw, op een slimme wijze te integreren in een voorspellende teststrategie. In het meest ideale geval zou dit kunnen door middel van een strategie die voorspellend is voor de werking en tegelijkertijd voor de veiligheid van stoffen. De mogelijkheid om verschillende testen slim te kunnen combineren en tevens om de complexiteit van de uitkomsten goed te kunnen interpreteren is vanzelfsprekend afhankelijk van de juiste kennis van zaken bij de verantwoordelijke mensen. Die mensen zijn bijvoorbeeld de onderzoekers die het werk uitvoeren of er, op de een of andere manier, bij betrokken zijn. Het blijft dan ook van groot belang om jonge mensen op te leiden tot nieuwe onderzoekers en beoordelaars op het terrein van innovative testing. Hier ligt een belangrijke taak van de hogeschool. Ik kom daar in hoofdstuk 5 op terug. Ik wil in mijn openbare les eerst uiteenzetten waarom het zo belangrijk is om vast te stellen wat de werking en veiligheid van stoffen is. Vervolgens wil ik beschrijven welke innovaties op dit moment al plaatsvinden, in de toxicologie en de farmacologie. Dit wil ik doen om aan te geven waar de parallellen en mogelijkheden voor synergie liggen. Daarna zal ik aan de hand van een aantal voorbeelden aangeven tegen welke grenzen men zoal aanloopt bij het testen van werking en veiligheid van stoffen, HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

7 Alleen wanneer risico s bekend zijn, kunnen ze op aanvaardbaarheid beoordeeld worden 13 hoofdstuk 2 Over de achtergrond van aanvaardbare risico s lectoraat Innovative Testing in Life Sciences & Chemistry 2 / Over de achtergrond van aanvaardbare risico s onderwerp Innovative Testing Grenzen verleggen & bruggen bouwen Dat het leven vol risico s zit is een open deur. Waar het in dit hoofdstuk omgaat, is dat mensen daar heel dubbel mee omgaan. Sommige risico s worden door mensen, vooral de avontuurlijke en nieuwsgierige, bewust en zelfs met overtuiging genomen. Denk hierbij aan ongelukken door bungeejumping of het krijgen van longkanker door roken. Andere risico s worden als volstrekt onaanvaardbaar ervaren. Een huidirritatie-reactie als gevolg van cosmeticaproducten of ongewenste bijwerkingen van sommige medicijnen zijn daarvan voorbeelden. De aanvaardbaarheid van risico s heeft te maken met risico perceptie, waarbij factoren als zichtbaarheid en controleerbaarheid van belang zijn. Om na te gaan of een risico aanvaardbaar is, moet het bekend zijn in de context waarin het zich voordoet. Dit hoofdstuk gaat over hoe het vaststellen van risico s in het geval van stoffen plaatsvindt. De Westerse wereld is tegelijkertijd risicovol en veilig. Het in kaart brengen van risico s van stoffen houdt veel mensen bezig. Ten aanzien van de gezondheid zijn dat bijvoorbeeld overheidsinstanties zoals het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM), Voedsel en Waren Autoriteit (VWA), Keuringsdiensten van Waren, onderzoekorganisaties zoals TNO, maar ook internationale organisaties zoals de World Health Organization (WHO). Ook op academisch gebied is er veel aandacht voor risico s getuige het bestaan van bijvoorbeeld het Institute for Risk Assessment Sciences (IRAS) van de Universiteit Utrecht en het Julius centrum van het Universitair Medisch Centrum Utrecht (UMCU). Door de inzet van deze en tal van andere organisaties zoals European Medicines Agency (EMEA), European Food Safety Agency (EFSA), Food & Drug Association (FDA), kan gesteld worden dat het leven als zodanig (voor de gemiddelde Westerse mens althans) nog nooit zo veilig is geweest als tegenwoordig. Het beste is dat te zien aan de toename van HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

8 14 hoofdstuk 2 Over de achtergrond van aanvaardbare risico s 15 hoofdstuk 2 Over de achtergrond van aanvaardbare risico s de levensverwachting van de mens, die gedurende de laatste 100 jaar bijna verdubbeld is. In 2007 was de levensverwachting in Nederland voor mannen ongeveer 78 jaar en voor vrouwen iets hoger, ongeveer 82,3 jaar. De mogelijk belangrijkere gezonde levensverwachting in Nederland is ook hoog: rond de 70 jaren voor zowel mannen als vrouwen (op basis van ervaren en gemeten lichamelijke en geestelijke gezondheid, zie website van het Nationaal Kompas, RIVM) 1. Toch is het een voortdurende uitdaging om gezond te blijven, en vooral zo oud mogelijk gezond te blijven. Dat gaat niet vanzelf, het leven is immers vol risico s en verleidingen zoals vet voedsel, zoete frisdranken, alcohol, en natuurlijk roken. Bovendien worden mensen soms gedurende lange periodes blootgesteld aan allerlei stoffen, bijvoorbeeld op de werkplek maar ook thuis. Door het RIVM is de bijdrage van verschillende factoren aan verloren levensjaren geschat en daaruit blijkt dat roken (20,9 jaren), verhoogde bloeddruk (10,8 jaren), ongezonde voeding (9,1 jaren) en overgewicht (5,8 jaren) de belangrijkste boosdoeners zijn. Milieufactoren (waaronder luchtvervuiling) dragen voor 2 tot 5 % bij aan de zogenaamde ziektelast. Blootstelling aan chemische stoffen op de werkplek is verantwoordelijk voor 1% van de totale ziektelast in Nederland 1. Gezondheidsrisico s voor de Westerse (Europese) mens betreffen allerlei ouderdomsaandoeningen zoals hart- en vaatziekten, kanker, geestesziekten, en chronische ontstekingsziekten 1,2. Voor het bestrijden van genoemde ziekten is men voortdurend op zoek naar geschikte medicijnen, en zoals bekend, hebben ook medicijnen regelmatig bijwerkingen. Die bijwerkingen zijn vaak onvermijdbaar, wat niet heel ernstig hoeft te zijn zolang de voordelen maar opwegen tegen de nadelen. Hoe dan ook, niet alleen de werking, maar ook het risico van medicijnen moet in kaart gebracht worden. Zeker als men bedenkt dat per jaar (in de Verenigde Staten) 2,1 miljoen ziektegevallen en doden te betreuren zijn ten gevolge van medicijngebruik 3. Het paradigma van de risicobeoordeling. Het gezondheidsrisico van stoffen wordt bepaald volgens een werkmodel of paradigma dat aangeduid wordt met de term risk assessment of in goed Nederlands risicobeoordeling. Het paradigma is vooral bekend vanuit de toxicologische risicobeoordeling van chemicaliën uit milieu en op de werkplek en gaat ervan uit dat voor het bepalen van het gezondheidsrisico een aantal min of meer onafhankelijk te bepalen factoren bekend moeten zijn. In ieder geval moet zowel het potentiële gevaar (ook wel hazard genoemd) als de actuele blootstelling (expositie) van de stof bekend zijn. Bovendien zijn gegevens nodig over zaken als gevoeligheid van verschillende mensen voor het gevaar, maar ook over omstandigheden van blootstelling en andere niet aan de stof gerelateerde factoren (allen tezamen risicofactoren genoemd). De toxicologen onderzoeken of een stof een bepaald ongewenst effect heeft op een biologische systeem. Bovendien stellen ze vast bij welke dosis of blootstellingconcentratie het effect optreedt. Hierbij worden allerlei methoden ingezet, maar uiteindelijk zijn in veel gevallen dierproeven vereist, zeker indien complexe systemische effecten onderzocht moeten worden. In een dierproef kan immers het effect op het biologische systeem met al zijn diverse interacties onderzocht worden en bovendien kan het lot van de stof (inclusief de interne concentraties) achterhaald worden. De dosis die in dierproeven geen ongewenste effecten laat zien, wordt ook wel de No Observed Adverse Effect Level (NOAEL) of No Toxic Effect Level (NTEL) genoemd. Deze waarden worden gebruikt om de veilige dosis of blootstellingsconcentratie voor de mens te bepalen. De veilige dosis wordt berekend door de NOAEL te vermenigvuldigen met een veiligheidsfactor. De veiligheidsfactor is 100 tot 1000, afhankelijk van de beschikbare informatie en de ernst van de toxiciteit. De actuele blootstelling kan bepaald worden door met behulp van de omgevingsconcentratie te schatten hoeveel er mogelijk HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

9 16 hoofdstuk 2 Over de achtergrond van aanvaardbare risico s 17 hoofdstuk 2 Over de achtergrond van aanvaardbare risico s opgenomen wordt. Beter zou zijn om de blootstelling per persoon daadwerkelijk te meten. Een toxicoloog zou het liefst de interne blootstellingsconcentratie willen weten, dat wil zeggen de concentratie in het orgaan of bij de cel waar het biologische effect verwacht wordt. Dit geeft namelijk de meeste directe informatie over de relatie tussen dosis en effect. Het bepalen van de interne dosis is niet eenvoudig maar kan tegenwoordig steeds beter met behulp van computermodellen die gebaseerd zijn op pharmacokinetic-pharmacodynamic (PB/PK) modellen 4. Bij het uiteindelijk vaststellen van het risico worden ook verschillende risicofactoren betrokken. Risicofactoren zijn bijvoorbeeld individuele gevoeligheden van mensen (ziekten, geslacht, leeftijd), bepaalde werkomstandigheden, microbiële infecties, maar ook leefomstandigheden en gewoonten zoals roken en alcoholgebruik. Risicobeoordeling is een interactieve bezigheid waarbij samenwerking tussen onderzoekers met uiteenlopende expertises nodig is. Hoe de risicobeoordeling uiteindelijk gebruikt wordt en bijdraagt aan risico management en bescherming van de gezondheid van de bevolking is in belangrijke mate de verantwoordelijkheid van werkgevers, bestuurders en regelgevers. Hierbij spelen ook tal van andere (ook economische) factoren een rol. Innovatie van onderdelen van het risk assessment paradigma is noodzakelijk. Het risk assessment paradigma zoals hierboven beschreven is aan vernieuwing toe. Alle drie de onderdelen van het paradigma (vaststellen van toxiciteit, vaststellen van blootstelling en de uiteindelijke risicobeoordeling) worden dan ook al enige tijd tegen het licht gehouden. Een belangrijke reden voor vernieuwing heeft te maken met het onderwerp dat mijn collega-lector Cyrille Krul in haar les zal behandelen, namelijk de wens en noodzaak om proefdierexperimenten te verminderen, te verfijnen of te vervangen. Ik ga in mijn les hier niet specifiek op in. In de literatuur worden meerdere opties genoemd die een bijdrage zouden kunnen leveren aan de verbetering van het proces van de risicobeoordeling. Ze worden hier puntsgewijs vermeld. 1-Betere toepassing van vergelijkend onderzoek tussen klassen van stoffen op basis van fysisch-chemische eigenschappen, bekend onder de verzamelnaam (Quantitative) Structure Activity Relationships, (Q)SAR). Er wordt al jaren onderzoek gedaan naar de relatie van fysisch-chemische stofeigenschappen en biologische effecten en er zijn ook tal van computermodellen beschikbaar voor allerlei specifieke toepassingen5. Deze technieken zouden meer toepasbaar gemaakt moeten worden om toxiciteit in de mens vast te stellen. 2-Toepassing van systems biology om opname (absorptie), verdeling (distributie), stofwisseling (metabolisme) en excretie (samen afgekort als ADME) en toxiciteit vast te stellen, samen wel aangeduid met ADMET 6. Systems biology staat voor een aanpak waarmee inzicht verkregen kan worden in het complete biologische systeem op een bepaald moment en in reactie op een bepaalde stimulus. Hierbij wordt met een veelheid aan technieken geïntegreerde informatie verkregen ten aanzien van activiteit en/of hoeveelheid van genen, eiwitten, vetten en producten van stofwisselingsprocessen. In de toxicologie spreekt men bij het bepalen van gen-activatie patronen van toxicogenomics. Door de grote hoeveelheid data die met behulp van systems biology verkregen worden zijn voor de interpretatie van uiteindelijke biologische effecten computermodellen onmisbaar. De verwachting is dat met systems biology een beter inzicht verkregen zal worden in de effecten van stoffen op het niveau van cellen, organen en het gehele organisme. 3-Bredere toepassing van effect-onderzoek op cellen of weefsels van menselijke oorspong (in vitro onderzoek). Relevante cellen, cellijnen, of weefsel van humane oorsprong zouden veel meer dan nu nog het geval is ingezet kunnen worden om de toxiciteit van stoffen vast te stellen. Voor de vertaling van dierproeven, is informatie ten aanzien van effecten op cellen uit dieren HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

10 18 hoofdstuk 2 Over de achtergrond van aanvaardbare risico s 19 hoofdstuk 2 Over de achtergrond van aanvaardbare risico s (bijvoorbeeld met cellijnen) ook zeer waardevol (zie ook hoofdstuk 5, voorbeeld met TGN1412). 4-Ontwikkeling van proefdierexperimenten die sneller de nodige specifiekere antwoorden geven. Dierexperimenten blijven voorlopig noodzakelijk, vooral om complexe systemische effecten van stoffen vast te stellen, zoals effecten op het immuunsysteem en reproductie-effecten. Maar door de toenemende kennis ten aanzien van de biologie, met name fysiologie van mens en dier, is het wellicht in de toekomst mogelijk om ook deze (en andere) complexe aandoeningen met behulp van slimme stapsgewijze strategieën vast te stellen (zie hoofdstuk 5, voorbeeld van medicijnallergie). 5-Bredere inzet van in silico (computer) modellen die de kinetiek van stoffen in het lichaam beschrijven uitgaande van relevante mechanismen. Deze aanpak staat bekend onder de naam: Mechanism-based pharmacokinetic-pharmacodynamic (PK-PD) modelling. De computermodellen maken het mogelijk de verdeling en het gedrag van een stof in het lichaam in relatie tot het verwachte of beoogde (patho)-fysiologische effect te beschrijven 4. 6-Meer gericht epidemiologisch en klinisch onderzoek, met relevante biomarkers. De epidemiologie is een relatief jonge wetenschap die zich snel ontwikkelt. Het zou goed zijn om de komende jaren meer nadruk dan nu te leggen op het ontwikkelen van relevante ( mechanism-based ) biomarkers die gebruikt kunnen worden om humane in vitro gegevens te vertalen naar de mens. De verwachting is dat systems biology een belangrijke bijdrage kan leveren in deze vorm van translationeel onderzoek. Alleen een geïntegreerde aanpak van bovengenoemde opties zal uiteindelijk bijdragen tot een beter begrip van biologische effecten van stoffen en daarmee van causale relaties tussen stofblootstelling en gezondheidseffecten. Zo is de verwachting dat systems biology bijdraagt aan het identificeren van betere biomarkers 8, aan in vitro ADME onderzoek 9 en aan beter onderbouwing van in vitro en in vivo onderzoek 10,11. Zoals al gemeld zijn computerprogramma s onmisbaar om de brei aan informatie die door middel van de voorgestelde geïntegreerde risicobeoordeling verkregen wordt helder te maken. Het gebruik van computerprogramma s in de biologie wordt aangeduid met bioinformatica. Maar de uiteindelijk verkregen informatie moet wel nog geïnterpreteerd en praktisch vertaald kunnen worden. Bijvoorbeeld door een onderzoeker of een risicobeoordelaar. Dat vraagt om een brede en tegelijkertijd grondige biologische en chemische kennis, en eveneens om een goede samenwerking tussen de verschillende disciplines. Goed onderwijs speelt hierbij een belangrijke rol. Hoe dan ook innovatie in de risicobeoordeling is een grote uitdaging, waarbij grenzen geslecht en bruggen gebouwd moeten worden. Een van de grenzen die geslecht moet worden is de grens die nog steeds te duidelijk aanwezig is tussen het bepalen van toxiciteit (safety of veiligheid) en farmacologische werking (benefit en efficacy). Door de befaamde spreuk van de Zwitserse arts en theoloog Paracelsus Alle Ding sind Gift, und nichts ohn Gift; allein die Dosis macht, daß ein Ding kein Gift ist weten we immers al sinds de 15 de eeuw dat de werking en veiligheid van stoffen keerzijden zijn van dezelfde medaille. 7-Verbeteren van informatie-uitwisseling tussen verschillende belanghebbende 7. Een grote uitdaging is om de (met name precompetitieve) informatie die her en der aanwezig is in data-opslag van bedrijven beschikbaar te maken voor algemeen gebruik. Dat gebeurt nog veel te weinig. Elk van de genoemde vernieuwingen op zich zal niet het gewenste resultaat hebben. Om aan te geven dat er tal van mogelijkheden zijn voor uitwisseling van informatie tussen toxicologen en farmacologen wordt in het volgende hoofdstuk ingegaan op het proces van medicijnontwikkeling HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

11 De kern van innovative testing is translationeel onderzoek 21 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit lectoraat Innovative Testing in Life Sciences & Chemistry onderwerp Innovative Testing Grenzen verleggen & bruggen bouwen 3 / Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit 3.1 Medicijnontwikkeling: een overzicht. Voordat ik in ga op innovative testing in de wereld van de farmacologie is het goed het nu gebruikte werkmodel dat gangbaar is om tot een goedwerkend en veilig medicijn te komen tegen het licht te houden (Figuur 1) 12. Het werkmodel geeft het proces weer hoe uit een soms zeer grote verzameling van moleculen, minstens één molecuul geselecteerd wordt dat een zodanige interactie met een biologisch proces aangaat dat het een ziekte geneest. Gangbare medicijnontwikkelingsproces discovery fase development fase Biologisch proces Identi ficatie van Target Identi ficatie van Lead Preklinisch Werking Toxiteit ADME Klinisch fase I-III Acceptatie door Autoriteiten Post Marketing Onderzoek 3,5 jaar 5,6 jaar 1,8 jaar Figuur 1. Een schematische weergave van het proces waarop ont wikkeling van medicijnen in het algemeen plaatsvindt (vooral gebaseerd op informatie uit 12,29 ) De ontwikkeling van medicijnen kent grofweg twee fasen: de discovery fase en de development fase. De eerste fase wordt ook wel aangeduid met Research & Development (R&D) fase. Deze fase omvat het zoeken en selecteren van nieuwe targetspecifieke moleculen, en moet uiteindelijk leiden tot het identificeren van een zogenaamde lead compound of gidsstof. Indien de lead compound, ook wel new chemical of molecular entities (NCE of NME) genoemd, geschikt lijkt als kandidaatmedicijn komt de stof in de development fase terecht. De development fase kent een preklinisch en een klinisch traject. Tijdens het preklinische traject wordt de werkzaamheid (inclusief HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

12 22 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit 23 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit dosering) van de stof uitvoerig getest, bijvoorbeeld in geschikte ziektemodellen met proefdieren. Ook worden ADME en toxische eigenschappen onderzocht. Vanzelfsprekend wordt ook onderzocht of de stof wel in een vorm te brengen is die geschikt is voor toediening in de mens. De uitkomst van het preklinisch onderzoek is van groot belang, omdat op grond van die uitkomst bepaald wordt of de stof in de mens getest mag worden. De klinische fase kent 3 fases. Fase I wordt uitgevoerd met een beperkt aantal gezonde vrijwilligers en is vooral gericht op het testen van de veiligheid, ADME en PB/PK van het kandidaat-medicijn. In fase II wordt een beperkte groep patiënten blootgesteld, voornamelijk om een zogenaamde proof-of-concept vast te stellen, met andere woorden om vast te stellen of de stof ook überhaupt werkzaam is in patiënten. Beide fases kunnen ook weer verder opgesplitst worden al naar gelang er meer informatie gewenst is. Fase III, met grote groepen patiënten, is de fase waarin de werking en veiligheid van de stof bevestigd moet worden. Na deze fase moeten er zoveel gegevens beschikbaar zijn dat het medicijn met alle vertrouwen op de markt toegelaten kan worden. Uiteindelijk beoordelen organisaties als de Europese EMEA en de Amerikaanse FDA op grond van een dossier met alle benodigde informatie of een nieuw medicijn inderdaad op de markt gebracht mag worden. Is het medicijn op de markt dan volgt er nog de fase IV, of postmarketing surveillance fase, die erop gericht is voortdurend patiëntgegevens te verzamelen ten aanzien van werking en veiligheid van het medicijn. In fase IV komen regelmatig nog zeldzame bijwerkingen zoals medicijnallergie aan het licht. Het proces zoals hier beschreven is maar een globale indicatie van hoe het in werkelijkheid gaat. Zo kunnen de verschillende fases naar believen nog verder opgesplitst worden om meer informatie te vergaren. Het komt ook voor dat een medicijn eerder in een patiënt getest wordt, zoals in het geval van ernstige aandoeningen waarvoor nog geen medicijn beschikbaar is. Toename van investeringen: droge pijplijn en knelpunten. De investeringen in tijd en geld die gepaard gaan met medicijnontwikkeling zijn enorm en nemen toe door allerlei redenen, waaronder hogere ontwikkelingskosten en veiligheidseisen. Het ontwikkelen van één medicijn van ontdekking tot marktintroductie volgens het proces zoals hierboven beschreven neemt naar schatting 8 tot 12 jaar in beslag en kost rond $800 miljoen 13,14. De kosten zijn de afgelopen 20 jaar ongeveer verdubbeld, maar het aantal nieuwe medicijnen dat voor registratie aangemeld werd in die periode is redelijk constant gebleven: per jaar ongeveer Indien de trend in kostenstijging zich op dezelfde wijze voortzet zou het kunnen zijn dat de kosten per ontwikkeld medicijn oplopen tot rond $1,9 miljard in Het falen van een medicijn op ongewenste bijwerkingen kan dramatische gevolgen hebben voor een farmaceutisch bedrijf, zeker als dat in fase III of zelfs na marktintroductie gebeurt. Bij farmaceutische bedrijven spreekt men over de pijplijn als men het heeft over hoeveel NCE er in een development fase zitten. Momenteel maakt de farmaceutische industrie zich zorgen aangezien de toename in investeringen niet leidt tot een beter gevulde pijplijn, terwijl een aantal langdurige patenten afloopt. De belangrijkste redenen voor het mislukken van een medicijn, ook wel attrition genoemd, hebben te maken met toxiciteit en klinische veiligheid (verantwoordelijk voor ongeveer 30% van de attrition), en het uiteindelijk ontbreken van effectieve werkzaamheid (ongeveer 30% van de attrition) 16. Volgens een retrospectief onderzoek van een aantal farmaceutische bedrijven zijn effecten op het immuunsysteem een belangrijke reden (60% van alle gevallen) voor het terugtrekken van stoffen tijdens de preklinische ontwikkelingsfase 17. Het gaat hierbij om huideffecten, vaatwandontstekingen, fototoxiciteit en veranderingen in lymfocyt-aantallen. Veel gaat nog mis in de klinische fasen, het geen blijkt uit het feit dat slechts iets meer dan 10% van de kandidaat-medicijnen deze fasen doorstaan HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

13 24 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit 25 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit Samenvattend: de farmaceutische pijplijn is niet voldoende gevuld gezien de toenemende investeringen, de mate van falen van een medicijn tijdens ontwikkeling is veel te hoog en tot slot, de tijd van de echte blockbuster-medicijnen (met een jaaropbrengst van meer dan $1 miljard) lijkt voorbij. medicijnen, eigenlijk de basis is van de huidige farmacologie en medicijnontwikkeling. De eerste leerstoel in de farmacologie in Nederland, geïnstalleerd door Koningin Wilhelmina in Utrecht in 1908 en bezet door Rudolf Magnus, was niet voor niets gericht op de farmacognosie Innovaties in de medicijnontwikkeling. De farmaceutische industrie is al een tijd volop in beweging om het hele proces van medicijnontwikkeling te innoveren. In januari van dit jaar is er door het Nederlandse Top Institute Pharma (TIPharma) samen met de European Federation for Pharmaceutical Sciences (EUFEPS) een symposium dit thema gehouden, met als titel Bottlenecks identification in drug discovery And solutions please! Een positieve titel en waarschijnlijk met reden want er zijn tal van interessante en veelbelovende innovaties gaande die moeten leiden tot nieuwe, en meer gerichte medicijnen Van screenen naar design. In elk van de fases van de medicijnontwikkeling zijn innovaties gaande. Zo wordt er steeds gerichter gezocht naar nieuwe lead compounds. Het zoeken naar lead compounds kan gedaan worden door middel van screening van grote aantallen stoffen (10 duizenden) op binding aan een target molecuul of op een bepaald biologisch effect (op specifieke cellulaire systemen). Maar moleculen kunnen ook heel gericht ontworpen worden. In het extreme geval kan dit gedaan worden met een techniek die Fragment-Based Drug Discovery (FBDD) genoemd wordt. Door middel van deze techniek worden met behulp van computermodellen nieuwe moleculen ontworpen die heel specifiek binden aan een bepaalde target, uitgaande van de binding van onderdelen (fragmenten) van (bekende) moleculen aan die target. Pas daarna wordt de stof gesynthetiseerd Natuurlijke bronnen. De laatste jaren is een hernieuwde belangstelling ontstaan voor natuurlijke stoffen als bron voor nieuwe medicijnen. Hernieuwd, omdat farmacognosie, als de kennis van natuurlijk voorkomende Natuurlijke bronnen zijn voornamelijk planten, maar in feite kan elke natuurlijke bron interessante stoffen opleveren. Zo zijn interessante medicijnen geïsoleerd uit bijvoorbeeld schimmels, sponsdieren, insecten, amfibieën en reptielen. Farmacognosie kan veelal leunen op oude bronnen van kennis, zoals de traditionele Chinese geneeskunst. Tegenwoordig wordt de farmacognosie gecombineerd met moderne technieken, zoals systems biology, geavanceerde isolatie-, detectie- en synthesemogelijkheden en hoogwaardige screeningsmethoden 20,21. Maar het komt er nog steeds op neer dat stoffen eerst uit de bron geëxtraheerd worden en vervolgens op biologische activiteit getest worden. De grote uitdaging bij natuurlijke medicijnen is de identificatie van de juiste actieve component(en). De farmacognosie blijkt ook steeds meer invloed te krijgen op de voedingsindustrie, want ook onze voeding wordt steeds vaker gezien als bron van farmacologisch werkzame bestanddelen. In dit verband worden termen gebruikt variërend van functional foods tot nutraceuticals. Ook dit is niets nieuws: de Griekse wijsgeer Hippokrates was al bekend met het feit dat voeding ook medicinale werking kan hebben. Tegenwoordig is iedereen bekend met reclames die de meest uiteenlopende voedingsbestanddelen aanprijzen als gezondheidsbevorderend of zelfs therapeutisch. Denk aan de onverzadigde vetzuren (in olijfolie en vis) en cholesterolverlagende margarines, verschillende antioxiderende stoffen uit de voeding zoals vitamines, licopenes (uit tomaten), etc. De interesse voor het food-pharma concept heeft recent geleid tot het installeren van twee nieuwe hoogleraren: Prof. Dr. R. Witkamp (Wageningen Universiteit & Research Centrum, WUR) en Prof. Dr. J. Garssen (University Institute Pharmaceutical Sciences (UIPS), Universiteit Utrecht) HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:48

14 26 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit 27 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit Biopharmaceuticals. Biopharmaceuticals of biologicals vormen een nieuwe bron van geneesmiddelen. Biologicals omvatten bijvoorbeeld stoffen die afkomstig zijn uit ons eigen lichamen zoals cytokines, enzymen, stollingseiwitten, bloed producten (zoals EPO, Erythropoëtin). Maar ook vaccins, gen-therapie-producten en stamcellen worden onder de biologicals gerekend. Een interessant voorbeeld van biologicals zijn (monoklonale) antilichamen. Antilichamen worden geproduceerd door het immuunsysteem en kunnen heel specifiek binden met een bepaald molecuul, bijvoorbeeld een bepaalde receptor op het membraan van een cel. Deze receptor kan er voor zorgen dat de betreffende cel geactiveerd, geremd of gedood (kankercel) wordt. Er zijn intussen al tal van verschillende monoklonalen, maar ook andere biologicals (cytokines bijvoorbeeld) goedgekeurd en in gebruik 22. Biologicals hebben een grote vlucht genomen omdat ze tegemoet komen aan de toenemende vraag naar nieuwe, meer specifieke medicijnen. Als gevolg hiervan omvatten antilichamen thans 25% van alle medicijnen in ontwikkeling. Die vlucht kan nog groter worden in combinatie met resultaten uit de systems biology. In zijn FC Donder speech bij de opening van het schooljaar van het Institute Life Sciences and Chemistry, sprak Prof. Van de Winkel, directeur van Genmab, over biologicals als een ware revolutie op medicijngebied Systems Biology, Translationeel onderzoek en Personalized Medicines. De al eerder genoemde systems biology approach kan nadrukkelijk bijdragen aan de zoektocht naar nieuwe medicijnen. Door het geheel van biologische veranderingen (op het niveau van genen, eiwitten, vetten en stofwisselingsproducten) bij een ziekte in kaart te brengen, zullen nieuwe therapeutische targets gevonden worden. Bijvoorbeeld als het geheel van geactiveerde genen en gevormde eiwitten in patiënten in vergelijking tot niet-patiënten bekend is, kunnen specifieke biologicals (zoals specifiek remmende RNA moleculen of antilichamen) ontworpen worden 23,24. Een belangrijke kanttekening bij het heel specifiek ontwerpen van medicijnen is dat nogal wat medicijnen (bijvoorbeeld de populaire cholesterolverlagende statines) op meerdere targets invloed hebben en toch een specifiek effect hebben in patiënten 24. De geweldige aandacht voor translationeel onderzoek is direct gekoppeld aan de opkomst van systems biology 25. Door de geboden mogelijkheden van systems biology, zoals het genetisch screenen van patiënten, is de behoefte bij de farmacologen aan biologische monsters van patiënten toegenomen. Dit heeft ertoe bijgedragen dat laboratoriumonderzoekers veel meer in contact kwamen met artsen, en de vertaling van labbevindingen naar de patiënt ook makkelijker werd. Translationeel onderzoek wordt dan ook wel aangeduid met bench-to-bed-approach, om aan te geven dat de bevindingen aan de laboratoriumtafel (the bench) direct vertaald worden naar de patiënt (the bed). Systems biology heeft een geweldige vlucht genomen na het bekend worden van het gehele genenpakket van de mens, het humane genoom, in Gecombineerd met de verkregen kennis van het bepalen van genexpressie patronen is ook de mogelijkheid ontstaan om individuele verschillen op genniveau, de genetische variatie, beter vast te stellen. Hierdoor is het concept van personalized medicine of persoonsgebonden therapie ontstaan 25,26,27. Dit concept komt erop neer dat therapieën speciaal ontworpen worden op basis van de genetische achtergrond van de patiënt. In de meest extreme en ideale situatie zou dit kunnen betekenen dat een persoon bij zijn geboorte al een pakketje medicijnen voorgeschreven krijgt waardoor hij de rest van zijn leven gevrijwaard is van ziekten. Deze genetische variatie waarvan gebruik gemaakt wordt, berust op kleine verschillen in moleculaire bouw van genen, en wordt ook wel aangeduid met Single Nucleotide Polymorphisms afgekort als SNPs ( snips ). SNP-analyses kunnen gedaan worden voor een chromosoom maar ook voor het gehele genoom. Er wordt nu al gewerkt aan mogelijkheden om met chip technieken ongeveer 1 miljoen SNPs in een keer vast te stellen (Affymetrix). Of personalized medicines HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:49

15 28 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit 29 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit inderdaad de vlucht zal nemen die door sommigen wordt voorzien, is nog maar de vraag. Maar nu al worden SNP analyses gebruikt om medicijnen gerichter (dat wil zeggen efficiënter en veiliger) aan te bieden (zie hoofdstuk 4, voorbeeld medicijnallergie) op basis van genetische eigenschappen van de patiënt. Dit onder deel van de farmacologie valt onder de farmacogenetica. Dr. G. Houben), UMCU (Groep van Prof. C. Bruijnzeel) en ook van UIPS (Groep Dr. J. Garssen) en het RIVM (Groep Prof. H. van Loveren) onderzoek gedaan naar risico s van, en therapeutische mogelijkheden voor voedselallergie. Bij dit onderzoek wordt gebruik gemaakt van muizenmodellen voor voedselallergie, humaan in vitro werk en patiëntenonderzoek. Gekoppeld aan de genoemde ontwikkelingen (translationeel medicijnonderzoek, personalized medicines) is de behoefte aan goede biomarkers enorm toegenomen 28. Een biomarker is een objectieve en relevante parameter die een goede indruk geeft van een normaal of pathologisch biologisch proces. Biomarkers zijn van belang voor diagnostiek maar ook voor het vaststellen van therapeutische werking van nieuwe medicijnen en voor het identificeren van gevoelige personen (bijvoorbeeld patiënten). Klassieke biomarkers zijn bijvoorbeeld de waarden die verkregen worden door middel van klassieke analyses op bloed, zoals suikerwaarden of de hoogte van het bloedbezinksel. Maar ook de bovengenoemde SNP analyse is een voorbeeld van een biomarker-techniek. Tegenwoordig krijgen ook geavanceerde beeldvormingstechnieken (imaging technieken) steeds meer aandacht 29. Deze technieken gaan zover dat men, op moleculair niveau, een beeld kan krijgen van interacties van medicijnen aan hun beoogde receptor. Opmerkelijk is dat er zo n geweldige behoefte is aan biomarkers dat ook daar sprake is van een pijplijnprobleem. Translationeel personalized medicijnonderzoek heeft ook in Nederland grote aandacht, getuige het bestaan van het Center for Translational Molecular Medicine (CTMM) op de HighTech-campus in Eindhoven. Bedrijven als Philips en DSM hebben hier grote belangstelling voor. Een translationeel onderzoeksproject waar ikzelf vanuit mijn positie bij het IRAS bij betrokken ben gaat over voedselallergie. Dat onderzoek vindt plaats in de context van een van de TNO kenniscentra, Center for Food Allergy (CFA). Hier wordt in samenwerking met onderzoekers van TNO (projectleider Innovatief testen van werking en toxiciteit. Relevante processen op moleculair en cellulair niveau moeten vertaalbaar zijn naar (patho)fysiologische processen op het niveau van het hele organisme. Biologische effecten zijn in sommige gevallen echter zo complex dat een dergelijke vertaling niet direct te maken is. Het is een uitdaging om een strategie van testsystemen te ontwerpen die het toelaat zowel de effectiviteit als de toxiciteit van een NCE te testen. Wederom zou kennis verkregen met systems biology ten aanzien van de complexiteit van biologische processen hier wellicht aan kunnen bijdragen. Maar uiteindelijk zullen cellulaire effecten, gemeten met aan biomarkers gerelateerde parameters, nodig zijn om de vertaling naar het hele organisme (mens of dier) te kunnen maken. Humane in vitro modellen, maar ook goede diermodellen die gebaseerd zijn op deugdelijke kennis van de vergelijkende fysiologische dierkunde, zullen hierbij van groot nut zijn. Het testen van biologicals vraagt extra creativiteit van slimme onderzoekers: immers hoe test je de veiligheid van medicijnen die heel erg specifiek voor de mens gemaakt zijn voordat ze in de mens gebracht worden? (zie hoofdstuk 4, TGN1412 voorbeeld). Al met al zijn er in de farmaceutische wereld interessante innovaties gaande om te komen tot een slimmere productontwikkeling en tot een oplossing van het pijplijnprobleem. Op basis van de opkomst van translationeel onderzoek en personalized medicines wordt ook steeds meer nagedacht over de aanpassing van het ontwikkelingstraject als zodanig. Roses 27 beschrijft een mogelijkheid waarbij persoonsgerichte medicijnen sneller op de markt toegelaten worden en waarbij HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:49

16 30 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit 31 hoofdstuk 3 Innovative testing in medicijnontwikkeling: werking versus toxiciteit veel meer nadruk ligt op de postmarketing risk management. Farmaco-epidemiologie, farmacogenetica en goede diagnostiek (biomarkers) spelen hierbij een cruciale rol. Deze benadering zou niet alleen bijdragen aan het meer (individu-)gericht voorschrijven van medicijnen, maar ook aan het voorkomen van ongewenste medicijnreacties. In deze benadering zijn risk assessment en efficacy assessment direct aan elkaar gekoppeld, op het niveau van het individu. De combinatie van epidemiologie, genetica en biomarkers is een fantastische ontwikkeling die ook bij werkplek-gerelateerd risk assessment onderzoek, zoals bij het IRAS, in opkomst is. Nu nog zijn de innovaties erg duur, maar langzaamaan zullen de nieuwe technieken meer gemeengoed worden en de investeringskosten weer afnemen. En dat is ook goed voor de patiënten. De goede lezer zal opgemerkt hebben dat communicatie tussen onderzoekers uit het vakgebied van de toxicologie en uit die van de farmacologie een enorme bijdrage kan leveren aan de implementatie van innovatieve kennis in de beide vakgebieden. Het volgende hoofdstuk zal een aantal voorbeelden behandelen waarbij de bijdragen van beide vakgebieden tot hun recht komen HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:49

17 Onverwachte bevindingen dragen bij aan het vaststellen van risico s en werking van stoffen 33 hoofdstuk 4 Over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment lectoraat Innovative Testing in Life Sciences & Chemistry onderwerp Grenzen verleggen & bruggen bouwen 4 / Over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment In dit hoofdstuk worden drie voorbeelden behandeld, die illustratief zijn voor de beperkingen (grenzen) en mogelijkheden (bruggen) bij het vaststellen van werking en veiligheid van stoffen. De voorbeelden geven eens te meer aan dat de grens tussen farmacologie en toxicologie in de biologische werkelijkheid eigenlijk niet bestaat. Het eerste voorbeeld heeft te maken met ongewenste immunologische bijwerkingen van medicijnen en geeft aan dat personalized medicines ook toepasbaar bij het bepalen van veiligheid. Het tweede voorbeeld komt uit de wereld van de biologicals en is inmiddels een klassieke casus, die de beperkingen van dierproeven voor deze nieuwe medicijnen illustreert. Tot slot wordt een voorbeeld gepresenteerd dat aangeeft dat het tot in detail bestuderen van een toxisch effect kan leiden tot nieuwe therapeutische mogelijkheden. 4.1 Medicijnovergevoeligheid en een brug tussen vaststellen van werking en veiligheid. Soms veroorzaken medicijnen een allergische reactie 30. De reactie kan variëren van relatief onschuldig, zoals pukkeltjes op de huid, tot zeer ernstig, zoals leverontstekingen. De meest dramatische effecten zijn (anafylactische) shock-reacties en aandoeningen die bekend zijn als Toxic Epidermal Necrolysis (TEN) en Stevens- Johnson Syndrome (SJS). Net als andere vormen van allergie is medicijnallergie het resultaat van een normale immunologische reactie die optreedt tegen stoffen waartegen een immunologische reactie volstrekt onnodig is. Per medicijn is de kans dat allergie optreedt gelukkig laag. Voor het anti-epileptische medicijn carbamazepine ligt de kans tussen 1 en 10 op patiënten. Maar het kan optreden bij ongeveer elk medicijn, vandaar dat medicijnallergie wel verantwoordelijk is voor 10 to 30% van alle ongewenste op medicijnen. Medicijnallergie is al vaak aanleiding geweest voor het terugnemen van een geaccepteerd medicijn HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:49

18 34 hoofdstuk 4 Over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment 35 hoofdstuk 4 Over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment van de markt, en is ook een van de effecten die verantwoordelijk is voor de hoge attrition rate. De onkosten voor de farmaceutische industrie als gevolg van medicijnallergie kunnen hoog oplopen, al is onbekend hoe hoog. De directe kosten die gemoeid zijn met alle ongewenste medicijnreacties bij elkaar zijn beter bekend, en in Europa geschat op ongeveer 79 miljard per jaar (directe kosten). De indirecte kosten worden geschat op ongeveer 145 miljard per jaar 31. Reden genoeg dus om het risico op het optreden van medicijnallergie (immers 10-30% van alle ongewenste medicijneffecten) te verkleinen. Het grote probleem bij medicijnallergie is echter dat er geen preklinische testen zijn en dat de bijwerkingen pas zichtbaar worden als grote groepen mensen het medicijn gaan gebruiken. Dus wanneer het medicijn al op de markt is. Dit heeft ermee te maken dat het optreden van medicijnallergie afhankelijk is van individuele risicofactoren. Een deel van deze risicofactoren zijn van genetische aard, maar ook omgevingsfactoren, zoals sommige microbiële infecties, kunnen een risico vormen. De bekendste omgevingsfactor is wel een virale infectie. Virussen zoals HIV, herpes en hepatitis kunnen mensen gevoeliger maken voor het ontwikkelen van medicijnallergie. Zo hebben HIV patiënten volgens epidemiologen een 10 tot 100 keer hogere kans op ernstige huidreacties ten gevolge van medicijngebruik dan gezonde mensen 32. Bovendien geven ze het belang aan van de Fase IV of postmarketing onderzoek. De uitdaging die nog altijd blijft, is of de individuele gevoeligheid vertaald kan worden naar vroege laboratoriumtesten, zodat de mogelijkheid dat een bepaald medicijn allergie kan veroorzaken ook eerder onderkend kan worden. Roses 27 stelt in zijn aangepaste versie van het medicijnontwikkelingstraject ook voor dat voor bepaalde aandoeningen, met name gerelateerd aan metabolisme en immuunsysteem, preklinisch getest wordt. En aangezien er steeds meer bekend wordt over de moleculaire en cellulaire processen die betrokken zijn bij het ontstaan van medicijnallergie komt die mogelijkheid ook daadwerkelijk dichterbij. Binnen het TIPharma project Towards novel translational safety biomarkers for adverse drug toxicity wordt hier onderzoek naar gedaan. Dit project, onder leiding van Prof. N. Vermeulen van de VU in Amsterdam, berust op samenwerking tussen verschillende universitaire onderzoeksgroepen, waaronder mijn onderzoeksgroep bij het IRAS, en verschillende farmaceutische en biotechnologische bedrijven. Het doel is te komen tot een translationele teststrategie die het mogelijk maakt het risico van ongewenste medicijneffecten, waaronder levertoxiciteit en medicijnallergie, te voorspellen op basis van een combinatie van stofeigenschappen, cellulaire en moleculaire in vitro en in vivo effecten, en patiëntgegevens. De gedeeltelijke oplossing voor dit probleem is gebruik te maken van de farmacogenetica. Zo is de genetische gevoeligheid voor het ontwikkelen van medicijnallergie voor enkele medicijnen al vastgesteld. Voor carbamazepine, een medicijn tegen epilepsie, heeft men gevonden dat de SNP-variatie bekend als HLA-B*1502 patiënten extra gevoelig voor het optreden van TEN en SJS 30. Voor abacavir, een anti-hiv medicijn, gelden weer andere genetische SNP kenmerken die patiënten gevoelig maken, onder anderen HLA-B* Deze voorbeelden geven aan dat het mogelijk is door het tijdig analyseren van genetische eigenschappen, patiënten te beschermen tegen ongewenste medicijneffecten. 4.2 Biologicals: grenzen aan het testen van veiligheid met proefdieren Oorspronkelijk was de gedachte dat biologicals door hun specifieke werking weinig bijwerkingen zouden hebben. Maar ze zijn natuurlijk wel biologisch actief en beïnvloeden dus ook allerlei processen. Sommige biologicals vertonen dan ook bijwerkingen, vaak met een immunologische oorsprong, die in ernst niet onderdoen voor klassieke niet-biologische geneesmiddelen. Om terug te komen op mijn eerdere vraag: Hoe moeten biologicals die vaak speciaal voor toepassing in de mens gemaakt zijn op veilig HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:49

19 36 hoofdstuk 4 Over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment 37 hoofdstuk 4 Over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment heid getest worden? Daar is in veel gevallen nog geen oplossing voor. Wel zijn er duidelijke ontwikkelingen gaande waarbij men zich richt op in silico (computer) mogelijkheden en op humane in vitro testen 34. ze zorgen voor activatie van immuuncellen. Sommige cytokines zijn bijvoorbeeld van belang voor het op gang brengen van een ontstekingsreactie, anderen dragen bij aan het ontstaan van koorts. Een, nu al klassieke, casus die de beperking van proefdieronderzoek met biologicals aantoont is een vrijwilligersstudie gedaan in 2006 in een ziekenhuis in Londen met de stof TGN TGN1412 is een monoklonaal antilichaam gericht tegen een membraaneiwit op T lymfocyten, CD28. TGN1412 werd door een klein Duits biotechnologisch bedrijf, TeGenero, op basis van studies in muizen en ratten voorgesteld als een medicijn om bepaalde chronische ontstekingsziekten zoals reumatoïde artritis te genezen. Veiligheidstudies, inclusief een studie met Cynomolgus apen (Macaca fascicularis), waren dusdanig dat een studie met 6 gezonde vrijwilligers goedgekeurd werd. De studie met de vrijwilligers verliep echter dramatisch: tussen 1 en 4 uur na toediening van TGN1412 ontwikkelden alle vrijwilligers een syndroom dat in het Engels Fatal Organ Syndrome genoemd wordt, en dat veel lijkt op een algehele allergische reactie. Symptomen waren roodvorming van de huid (erythema), vaatverwijding, bloeddrukdaling, geheugenstoornissen, hartritmestoornissen, en koortsverschijnselen. Alle vrijwilligers ondergingen intensive care en pas na een aantal weken waren de vrijwilligers zodanig hersteld dat ze weer naar huis konden. Sommigen hebben echter blijvende effecten, zoals amputatie van afgestorven vingers. Vanzelfsprekend waren onderzoekers en regelgevers in rep en roer. Aanvragen voor nieuwe humane studies werden on hold gezet, en er werden onderzoeken gestart om na te gaan wat er verkeerd was gegaan. Duidelijk werd dat er bij de vrijwilligers een effect was opgetreden dat ook wel cytokine storm genoemd wordt. Zo n cytokine storm zou het gevolg kunnen zijn van algehele directe activatie van alle T lymfocyten (zie figuur 2). Cytokines bestaan in vele soorten en zijn van cruciaal belang in het afweersysteem omdat signaal 1 (gericht tegen bijvoorbeeld een bacterie) Figuur 2 Geobserveerde data van de achttien duo s van de experimentele conditie gelet op het percentage samen spelen en de proportie diepgaand spel per meetmoment Het idee macrofaag T lymfocyt immunologische reactie (o.a. cytokines) signaal 2 (gevolg van gevaar bijvoorbeeld ontsteking) De werkelijkheid + + regelende T lymfocyt TGN1412 regelende T lymfocyt TGN1412 immunologische reactie (o.a. cytokines) Maar waarom trad dit effect niet op in de redelijk dicht bij de mens staande makaak? Vooral gezien de moleculaire gelijkenis van het betreffende molecuul in mens en makaak. Uit wat nu blijkt hebben T lymfocyten van de makaak een moleculair mechanisme (bestaande uit zogenaamde Siglec-moleculen) dat de activiteit van de cellen remt maar dat in de mens ontbreekt 36,37. Waarschijnlijk daardoor traden de effecten zoals waargenomen in de vrijwilligers niet op in de apen. Bij nader inzien waren sommige effecten (afname van T lymfocyten in het bloed) trouwens wel terug te vinden in proefdieren, maar zonder de dramatische gevolgen. Bovendien, in vitro assays met humane T cellen die uitgevoerd waren om de effecten van TGN1412 te voorspellen, bleken achteraf toch niet op de juiste manier uitgevoerd 36. Samenvattend kan gesteld worden dat de TGN1412-casus heeft aangetoond dat voor het testen van de werking of veiligheid van monoklonale antilichamen apenstudies niet zonder meer voor de hand liggen, HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:49

20 38 hoofdstuk 4 Over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment 39 hoofdstuk 4 Over oude grenzen en nieuwe bruggen in risk assessment maar dat het zinvoller lijkt daarvoor gebruik te maken van goed gevalideerde humane in vitro testen. Wat dit drama ook nadrukkelijk aantoont, is dat grondige kennis ten aanzien van de fysiologie van verschillende diersoorten van uitermate groot belang is. Als gevolg van het TGN1412 drama is ook een discussie ontstaan over de wijze waarop studies uitgevoerd moeten worden waarin voor het eerst stoffen in de mens getest worden: het zogenaamde First-in-Man studieprotocol 38,39. Een punt van discussie betrof het gebruik van NOAEL als basis voor veilige doses. Vooral de toevoeging adverse is hier een struikelblok: NOAEL gaat uit van ongewenste effecten. In het nieuwe First-in-Man studieprotocol wordt dan ook aangeraden uit te gaan van de Minimal Anticipated Biological Effect Level (MABEL). De MABEL is niet gebaseerd op ongewenste effecten maar op het gewenste biologische effect. Deze MABEL kan aanzienlijk lager zijn dan de NOAEL en is wellicht ook in algemene zin beter geschikt voor onderzoek met medicijnen. 4.3 De dioxine receptor: een brug tussen goed en kwaad In de toxicologische leerboeken wordt de stof 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin, beter bekend als TCDD of dioxine, wordt steevast vermeld als de meest toxische verbinding die door menselijk handelen geproduceerd is. In Casarett & Doull s Toxicology 40 staat een tabel waarin de 50% letale dosis (LD50, een dosis waarbij 50% van de blootgestelde dieren overlijdt) van TCDD (0.001 mg/kg lichaamsgewicht) vermeld staat tussen twee natuurlijke toxines: tetrodotoxin (LD50: 0.10 mg/kg) bekend van de Kogelvis en botuline toxine (LD50: mg/kg) dat geproduceerd wordt door de bacterie Clostridium botulinum (ook bekend van Botulisme maar ook van Botox). Ter vergelijking, de LD50 van strychnine is 2 mg/kg en van keukenzout mg/kg. Het moet vermeld worden dat se LD50 van TCDD sterk varieert per diersoort: een cavia is 400 maal gevoeliger dan een muis. Figuur 3 Geobserveerde data van de achttien duo s van de experimentele conditie gelet op het percentage samen spelen en de proportie diepgaand spel per meetmoment TCDD is een van de vele dioxines, maar wel de meest potente. Dioxines worden gevormd bij productie van organische chloorverbindingen, bij verbranding van bijvoorbeeld PVC, maar komen ook vrij bij natuurlijke branden en vulkaanuitbarstingen. TCDD is ook bekend van een aantal incidenten. TCDD werd bijvoorbeeld aangetroffen als vervuiling in het herbicide Agent Orange, dat al ontbladeringsmiddel gebruikt werd in Vietnam. TCDD is ook bekend van Seveso in Italie (1976), van de Vogelmeerpolder bij Amsterdam (jaren 80) en in 2004 ook in het nieuws geweest in relatie tot de poging tot vergiftiging van de Oekraïense politicus Viktor Yuschenko. De meest recente TCDD-crisis, gesignaleerd eind 2008, betreft de vervuiling van Iers varkensen rundvlees met 80 tot 400 keer de EU-norm aan TCDD en TCDD-achtige stoffen (de Irish pork crisis ). De gevolgen van dioxine blootstelling voor de gezondheid van de mens kunnen bij hoge blootstelling zeer ernstig zijn. TCDD kan de kans op tumorontwikkeling vergroten, en immunologische, neurologische effecten en geboorte-effecten veroorzaken. T lymfocyt TCDD Toxisch immunotoxiciteit + VAF347 AhR Therapeutisch Regelende T lymfocyt Anti-allergisch Ontstekingsremmend TCDD is vanwege zijn ernstige toxische werking mogelijk ook een van de meest onderzochte toxines. Dit heeft er toe geleid dat het moleculaire mechanisme TCDD intussen goed bekend is. Sinds midden jaren 70 is de receptor voor TCDD ook bekend: de aryl HU-OL Lectoraat L&C 5.indd :33:49